一種低功耗全MOS的自偏置電流基準源
2023-05-26 11:13:12 1
一種低功耗全mos的自偏置電流基準源
技術領域
1.本發明屬於基準源技術領域，涉及一種低功耗全mos的自偏置電流基準源。
背景技術：
2.基準電流源是在模擬集成電路中用來作為其他電路的電流基準的高精度、低溫度係數的電流源，其作為模擬集成電路的關鍵電路單元，廣泛應用於運算放大器、a/d轉換器、d/a轉換器中。在高性能的模擬電路中必須要有高質量、高穩定性的電流和電壓偏置電路來支撐，基準電流源的性能會直接影響到電路的功耗、電源抑制比、開環增益以及溫度等特性。
3.在現有的電流基準源技術中，常見的有基於bjt管(雙極結型電晶體)、基於mosfet的基準源。
4.其中基於bjt管的基準源由於具有較高的閾值，需要匹配較高的電源電壓，不能滿足在超低功耗模擬/混合信號集成電路設計中的低功耗要求，除此之外，在bjt管基準源電路中還需要使用電阻，在要求低功耗的條件下電阻的阻值也需要很大，但大電阻也意味著大的空間佔用，無疑會增大晶片的面積。
5.基於mosfet的基準源由於電路中的mos管工作在亞閾值區域，所以具有較好的低功耗效應，其基本電路圖如圖1所示。電路中nmos管mn1、mn2都工作在亞閾值區域，pmos管mp1～mp3具有相同的寬長比，所以i
out
＝i
ref
，由於存在電阻rs，所以mn1和mn2的柵源電壓v
gs
不相等。若假設mn1的尺寸與mn2的尺寸之比為k，電阻rs的電壓為i
outrs
，忽略體效應的影響，即v
thn1
＝v
thn2
，由i
refrs
＝v
gsn2-v
gsn1
可得：
[0006][0007]
故，此電流大小隻和電晶體寬長比以及電阻有關，電流溫度特性也只受電阻的溫度特性和熱電壓u
t
影響，而若是不對電阻進行溫度補償，那所輸出的電流i
ref
的溫度特性也將很差。
[0008]
針對這種情況，理論上的方法是使得電阻的溫度係數與載流子遷移率的溫度係數相抵消，那麼輸出基準電流的溫度特性能夠得到提升，但實際工藝中，難以做到與載流子遷移率溫度特性相匹配的電阻，因此採用的方式是使用兩種不同的電阻，通過電阻阻值的匹配來實現與載流子遷移率的溫度係數相互抵消。這也帶來了同樣的問題，在低功耗電路的要求下，電阻需要很大才能滿足要求，非常佔用晶片面積，而電阻不夠大則又帶來功耗較高的問題。
技術實現要素：
[0009]
有鑑於此，本發明的目的在於提供一種低功耗全mos的自偏置電流基準源，採用mos管替換電路中的電阻，以降低電路功耗以及減小佔用的面積。
[0010]
為達到上述目的，本發明提供如下技術方案：
[0011]
一種低功耗全mos的自偏置電流基準源，包括pmos管mp1～mp5，和nmos管mn1～mn6；
[0012]
pmos管mp1的源極連接電源，其漏極分別與nmos管mn3的漏極和柵極以及mn4的柵極連接，mp1的柵極分別與pmos管mp2的漏極、mp5的柵極以及nmos管mn1的漏極連接；nmos管mn3的源極分別與mn1的源極和mn4的漏極連接；nmos管mn4的源極接地；pmos管mp2的源極連接電源，其柵極分別與mp3的柵極和mp5的柵極連接；pmos管mp3的源極連接電源，其漏極分別與nmos管mn1的柵極以及mn2的柵極和漏極連接；nmos管mn2的源極分別與mn5的源極和mn6的漏極連接；pmos管mp4的源極連接電源，其柵極與mp5的柵極連接，mp4的漏極分別與nmos管mn5的漏極和柵極以及mn6的柵極連接；nmos管mn6的源極接地；pmos管mp5的源極連接電源，其漏極作為基準電流源的輸出端。
[0013]
優選的，pmos管mp1～mp5的尺寸相同。
[0014]
優選的，nmos管mn1、mn2、mn5和mn6工作在亞閾值區。nmos管mn3工作在飽和區。nmos管mn4工作在深線性區。
[0015]
優選的，pmos管mp2和mp3構成電流鏡結構，比值為1：1；nmos管mn1和mn2也構成一電流鏡結構，其比值為2：1。
[0016]
本發明的有益效果在於：本發明採用工作在深線性區的mos管取代了傳統基準電路中的電阻，從而解決了傳統自偏置電流基準源輸出小的電流、會佔用很大面積的缺點，大大降低了晶片面積，非常適合運用在低功耗電路中；利用正溫度係數的熱電壓與負溫度係數的電子遷移率相乘的方法得到了低溫度係數的基準電流。本發明電路結構簡單，無啟動電路，無環路，溫度係數小，功耗極低。。
[0017]
本發明的其他優點、目標和特徵在某種程度上將在隨後的說明書中進行闡述，並且在某種程度上，基於對下文的考察研究對本領域技術人員而言將是顯而易見的，或者可以從本發明的實踐中得到教導。本發明的目標和其他優點可以通過下面的說明書來實現和獲得。
附圖說明
[0018]
為了使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將結合附圖對本發明作優選的詳細描述，其中：
[0019]
圖1為傳統自偏置電流基準源電路；
[0020]
圖2為低功耗全mos的自偏置電流基準源電路。
具體實施方式
[0021]
以下通過特定的具體實例說明本發明的實施方式，本領域技術人員可由本說明書所揭露的內容輕易地了解本發明的其他優點與功效。本發明還可以通過另外不同的具體實施方式加以實施或應用，本說明書中的各項細節也可以基於不同觀點與應用，在沒有背離本發明的精神下進行各種修飾或改變。需要說明的是，以下實施例中所提供的圖示僅以示意方式說明本發明的基本構想，在不衝突的情況下，以下實施例及實施例中的特徵可以相互組合。
[0022]
如圖2所示，為本發明低功耗全mos的自偏置電流基準源，該基準源電路包括pmos管mp1～mp5以及nmos管mn1～mn6。其中pmos管mp1的源極連接電源，其漏極分別與nmos管mn3的漏極和柵極以及mn4的柵極連接，mp1的柵極分別與pmos管mp2的漏極、mp5的柵極以及nmos管mn1的漏極連接；nmos管mn3的源極分別與mn1的源極和mn4的漏極連接；nmos管mn4的源極接地；pmos管mp2的源極連接電源，其柵極分別與mp3的柵極和mp5的柵極連接；pmos管mp3的源極連接電源，其漏極分別與nmos管mn1的柵極以及mn2的柵極和漏極連接；nmos管mn2的源極分別與mn5的源極和mn6的漏極連接；pmos管mp4的源極連接電源，其柵極與mp5的柵極連接，mp4的漏極分別與nmos管mn5的漏極和柵極以及mn6的柵極連接；nmos管mn6的源極接地；pmos管mp5的源極連接電源，其漏極作為基準電流源的輸出端。
[0023]
上述mos管中，pmos管mp1～mp5的尺寸相同，nmos管mn1、mn2、mn5和mn6工作在亞閾值區，nmos管mn3工作在飽和區，nmos管mn4工作在深線性區。本發明利用深線性區的nmos管mn4來取代傳統電流基準源電路中的電阻，同時通過飽和區的nmos管mn3來充當一個電流源，使得mn4的漏極形成一個壓差。
[0024]
根據電路結構，基準電流i
ref
可以表示為：
[0025][0026]
式中，μn表示nmos管的電子遷移率，c
ox
表示單位面積的柵氧電容，sn表示mos管的寬長比，u
t
表示熱電壓。由上式可知，可以通過調節mos管的尺寸得到合適的電流大小。已知電子遷移率μn與溫度呈負相關，可表示為：
[0027][0028]
式中，t0為參考溫度，μ0為t0下的電子遷移率，t為絕對溫度，m是溫度指數，m的大小在1～2之間。又已知熱電壓u
t
與溫度呈正相關，可表示為：
[0029][0030]
故，i
ref
與溫度t之間的關係可以表示為i
ref
對溫度t求導得：
[0031][0032]
由於m大小在1～2之間，所以此基準源的溫度係數很小。
[0033]
最後說明的是，以上實施例僅用以說明本發明的技術方案而非限制，儘管參照較佳實施例對本發明進行了詳細說明，本領域的普通技術人員應當理解，可以對本發明的技術方案進行修改或者等同替換，而不脫離本技術方案的宗旨和範圍，其均應涵蓋在本發明的權利要求範圍當中。